Ερευνητές Ανακαλύπτουν Νέο Τρόπο Υπολογισμού Με Υγρό Κρύσταλλο

Ερευνητές στο Πανεπιστήμιο του Σικάγου Pritzker Σχολή Μοριακής Μηχανικής έχουν δείξει πώς να σχεδιάσουν τα βασικά στοιχεία που απαιτούνται για λογικές επιχειρήσεις με ένα υλικό που ονομάζεται υγρό κρύσταλλο. Η νέα εξέλιξη είναι η πρώτη της तरह της και θα μπορούσε να οδηγήσει σε ένα εντελώς νέο τρόπο εκτέλεσης υπολογισμών. 

Η έρευνα δημοσιεύθηκε στο Science Advances.

Ενώ η νέα τεχνική δεν θα οδηγήσει σε τρανζίστορ ή υπολογιστές αμέσως, θα μπορούσε να πάνε ένα μεγάλο μέρος του δρόμου στην δημιουργία συσκευών με νέες λειτουργίες σε υπολογιστές, αισθητήρες και ρομποτική.

Ο Juan de Pablo είναι καθηγητής Liew Οικογένειας στη Μοριακή Μηχανική και ανώτερος επιστήμονας στο Argonne Εθνικό Εργαστήριο. Είναι επίσης ανώτερος συγγραφέας της έρευνας. 

“Είδαμε ότι μπορείτε να δημιουργήσετε τα στοιχειώδη δομικά στοιχεία ενός κυκλώματος — πύλες, ενισχυτές και αγωγοί — που σημαίνει ότι θα πρέπει να μπορείτε να τα συναρμολογήσετε σε διατάξεις ικανές να εκτελούν πιο σύνθετες επιχειρήσεις,” είπε ο Juan de Pablo. “Είναι ένα πραγματικά ενθουσιαστικό βήμα για το πεδίο των ενεργών υλικών.”

Υγρό Κρύσταλλο

Η έρευνα επικεντρώθηκε έντονα σε ένα είδος υλικού που ονομάζεται υγρό κρύσταλλο. Μια από τις μοναδικές ιδιότητες του υγρού κρυστάλλου είναι ότι τα μόρια του είναι συνήθως επιμηκυσμένα και υιοθετούν μια κάπως τακτοποιημένη δομή όταν είναι συσκευασμένα μαζί. Ωστόσο, αυτή η δομή μπορεί να μετατοπιστεί παρόμοια με υγρό, και οι επιστήμονες μπορούν να χρησιμοποιήσουν μοναδικές ιδιότητες όπως αυτή για να xây dựng νέες τεχνολογίες. 

Η διαφορετική μοριακή τάξη σημαίνει ότι υπάρχουν σημεία σε όλα τα υγρά κρύσταλλα όπου οι τακτοποιημένες περιοχές μπορούν να έρθουν σε επαφή με το ένα το άλλο.既然 οι προσανατολισμοί τους δεν ταιριάζουν απόλυτα, οι επιστήμονες τα ονομάζουν “τοπολογικές ελαττώματα” και τα σημεία κινούνται γύρω από το υγρό κρύσταλλο. 

Η ομάδα των επιστημόνων εξετάζει εάν αυτά τα ελαττώματα θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για να μεταφέρουν πληροφορίες. Με αυτό που είπαμε, η δημιουργία τεχνολογίας από αυτά θα απαιτούσε την ικανότητα να τα μετακινήσετε γύρω από το σημείο που θέλετε, και ήταν εξαιρετικά δύσκολο να ελέγξουν τη συμπεριφορά τους μέχρι τώρα.

“Συνήθως, αν κοιτάξετε μέσα από ένα μικροσκόπιο σε ένα πείραμα με ένα ενεργό υγρό κρύσταλλο, θα δείτε πλήρη χάος — ελαττώματα που μετατοπίζονται γύρω από το σημείο,” είπε ο Juan.

Η Πρωτοπορία

Η πρωτοπορία ήρθε το προηγούμενο έτος με ένα έργο στο εργαστήριο του Pablo με επικεφαλής τον Rui Zhang, ο οποίος ήταν μεταδιδακτορικός ερευνητής στη Σχολή Μοριακής Μηχανικής Pritzker. Εργάστηκε μαζί με τον καθηγητή Margaret Gardel από το UChicago και τον καθηγητή Zev Bryant από το Stanford. 

Η ομάδα ανακάλυψε ένα σύνολο τεχνικών που θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για τον έλεγχο των τοπολογικών ελατωμάτων. Αν έλεγχαν πού έβαζαν ενέργεια στο υγρό κρύσταλλο, το οποίο έγινε με την ανάδειξη φωτός σε συγκεκριμένες περιοχές, τα ελαττώματα θα μπορούσαν να οδηγηθούν σε συγκεκριμένες κατευθύνσεις. 

“Αυτά έχουν πολλές από τις ιδιότητες των ηλεκτρονίων σε ένα κύκλωμα — μπορούμε να τα μετακινήσουμε σε μεγάλες αποστάσεις, να τα ενισχύσουμε και να τα κλείσουμε ή να τα ανοίξουμε όπως σε μια πύλη τρανζίστορ, που σημαίνει ότι θα μπορούσαμε να τα χρησιμοποιήσουμε για σχετικά σύνθετες επιχειρήσεις,” είπε ο Zhang.

Ενώ οι υπολογισμοί δείχνουν ότι τα συστήματα θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για υπολογισμούς, θα ήταν πιο χρήσιμα στο πεδίο της μαλακής ρομποτικής. Η ομάδα πιστεύει ότι θα μπορούσαν να δημιουργήσουν μαλακές ρομποτικές που θα εκτελούσαν κάποια από τη δική τους “σκέψη” με τη βοήθεια των ενεργών υγρών κρυστάλλων. 

Ελπίζουν επίσης ότι τα τοπολογικά ελαττώματα θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για τη μεταφορά μικρών ποσοτήτων υγρού ή άλλων υλικών μέσα σε μικρές συσκευές. 

“Για παράδειγμα, μπορεί να εκτελεστεί μια λειτουργία μέσα σε μια συνθετική κυτταρική,” είπε ο Zhang. 

Η ομάδα έρευνας περιλαμβάνει επίσης τον συν-συγγραφέα και τον μεταδιδακτορικό ερευνητή του UChicago Ali Mozaffari. Η ομάδα θα εργαστεί τώρα για να εκτελέσει πειράματα για να επιβεβαιώσει θεωρητικές ευρήματα.